ClassLoader工作机制

一、ClassLoader概念

  ClassLoader是用来动态的加载class文件到虚拟机中,并转换成java.lang.class类的一个实例,每个这样的实例用来表示一个java类,我们可以根据Class的实例得到该类的信息,并通过实例的newInstance()方法创建出该类的一个对象,除此之外,ClassLoader还负责加载Java应用所需的资源,如图像文件和配置文件等。

  ClassLoader类是一个抽象类。如果给定类的二进制名称,那么类加载器会试图查找或生成构成类定义的数据。一般策略是将名称转换为某个文件名,然后从文件系统读取该名称的“类文件”。ClassLoader类使用委托模型来搜索类和资源。每个 ClassLoader实例都有一个相关的父类加载器。需要查找类或资源时,ClassLoader实例会在试图亲自查找类或资源之前,将搜索类或资源的任务委托给其父类加载器。  

  注意:程序在启动的时候,并不会一次性加载程序所要用的所有class文件,而是根据程序的需要,通过Java的类加载机制来动态加载某个class文件到内存中。

二、JVM平台提供三层classLoader

  1. Bootstrap classLoader:采用native code实现,是JVM的一部分,主要加载JVM自身工作需要的类,如java.lang.*、java.uti.*等; 这些类位于$JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar。Bootstrap ClassLoader不继承自ClassLoader,因为它不是一个普通的Java类,底层由C++编写,已嵌入到了JVM内核当中,当JVM启动后,Bootstrap ClassLoader也随着启动,负责加载完核心类库后,并构造Extension ClassLoader和App ClassLoader类加载器。
  2. ExtClassLoader:扩展的class loader,加载位于$JAVA_HOME/jre/lib/ext目录下的扩展jar。
  3. AppClassLoader:系统class loader,父类是ExtClassLoader,加载$CLASSPATH下的目录和jar;它负责加载应用程序主函数类。

  其体系结构图如下:

  

  如果要实现自己的类加载器,不管是实现抽象列ClassLoader,还是继承URLClassLoader类,它的父加载器都是AppClassLoader,因为不管调用哪个父类加载器,创建的对象都必须最终调用getSystemClassLoader()作为父加载器,getSystemClassLoader()方法获取到的正是AppClassLoader。

  注意:Bootstrap classLoader并不属于JVM的等级层次,它不遵守ClassLoader的加载规则,Bootstrap classLoader并没有子类。

三、JVM加载class文件到内存有两种方式

  1. 隐式加载:不通过在代码里调用ClassLoader来加载需要的类,而是通过JVM来自动加载需要的类到内存,例如:当类中继承或者引用某个类时,JVM在解析当前这个类不在内存中时,就会自动将这些类加载到内存中。
  2. 显示加载:在代码中通过ClassLoader类来加载一个类,例如调用this.getClass.getClassLoader().loadClass()或者Class.forName()。

四、ClassLoader加载类的过程

  1. 找到.class文件并把这个文件加载到内存中
  2. 字节码验证,Class类数据结构分析,内存分配和符号表的链接
  3. 类中静态属性和初始化赋值以及静态代码块的执行

 五、自定义类加载器

  1、为何要自定义类加载器?

  JVM提供的类加载器,只能加载指定目录的jar和class,如果我们想加载其他位置的类或jar时,例如加载网络上的一个class文件,默认的ClassLoader就不能满足我们的需求了,所以需要定义自己的类加载器。

  2、如何实现自定义的类加载器?

  我们实现一个ClassLoader,并指定这个ClassLoader的加载路径。有两种方式:

  方式一:继承ClassLoader,重写父类的findClass()方法,代码如下:

 1 import java.io.ByteArrayOutputStream;
 2 import java.io.File;
 3 import java.io.FileInputStream;
 4 import java.io.IOException;
 5 public class PathClassLoader extends ClassLoader
 6 {
 7     public static final String drive = "d:/";
 8     public static final String fileType = ".class";
 9 
10     public static void main(String[] args) throws Exception
11     {
12         PathClassLoader loader = new PathClassLoader();
13         Class<?> objClass = loader.loadClass("HelloWorld", true);
14         Object obj = objClass.newInstance();
15         System.out.println(objClass.getName());
16         System.out.println(objClass.getClassLoader());
17         System.out.println(obj.getClass().toString());
18     }
19 
20     public Class<?> findClass(String name)
21     {
22         byte[] data = loadClassData(name);
23         return defineClass(name, data, 0, data.length);// 将一个 byte 数组转换为 Class// 类的实例
24     }
25     public byte[] loadClassData(String name)
26     {
27         FileInputStream fis = null;
28         byte[] data = null;
29         try
30         {
31             fis = new FileInputStream(new File(drive + name + fileType));
32             ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
33             int ch = 0;
34             while ((ch = fis.read()) != -1)
35             {
36                 baos.write(ch);
37             }
38             data = baos.toByteArray();
39         } catch (IOException e)
40         {
41             e.printStackTrace();
42         }
43         return data;
44     }
45 }

  在第13行,我们调用了父类的loadClass()方法,该方法使用指定的二进制名称来加载类,下面是loadClass方法的源代码:

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name))
        {
            // 第一步先检查这个类是否已经被加载
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null)
            {
                long t0 = System.nanoTime();
                try
                {
                    //parent为父加载器
                    if (parent != null)
                    {
                        //将搜索类或资源的任务委托给其父类加载器
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else
                    {
                        //检查该class是否被BootstrapClassLoader加载
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } 
                catch (ClassNotFoundException e)
                {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }
                if (c == null)
                {
                    //如果上述两步均没有找到加载的class,则调用findClass()方法
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);
                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve)
            {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

  这个方法首先检查指定class是否已经被加载,如果已被加载过,则调用resolveClass()方法链接指定的类,如果还未加载,则先将搜索类或资源的任务委托给其父类加载器,检查该class是否被BootstrapClassLoader加载,如果上述两步均没有找到加载的class,则调用findClass()方法,在我们自定义的加载器中,我们重写了findClass方法,去我们指定的路径下加载class文件。

  另外,我们自定义的类加载器没有指定父加载器,在JVM规范中不指定父类加载器的情况下,默认采用系统类加载器即AppClassLoader作为其父加载器,所以在使用该自定义类加载器时,需要加载的类不能在类路径中,否则的话根据双亲委派模型的原则,待加载的类会由系统类加载器加载。如果一定想要把自定义加载器需要加载的类放在类路径中, 就要把自定义类加载器的父加载器设置为null。 

  方式二:继承URLClassLoader类,然后设置自定义路径的URL来加载URL下的类。

  我们将指定的目录转换为URL路径,然后重写findClass方法。

六、实现类的热部署

  1、什么是类的热部署?

  所谓热部署,就是在应用正在运行的时候升级软件,不需要重新启用应用。

  对于Java应用程序来说,热部署就是运行时更新Java类文件。在基于Java的应用服务器实现热部署的过程中,类装入器扮演着重要的角色。大多数基于Java的应用服务器,包括EJB服务器和Servlet容器,都支持热部署。

  类装入器不能重新装入一个已经装入的类,但只要使用一个新的类装入器实例,就可以将类再次装入一个正在运行的应用程序。

  2、如何实现Java类的热部署

  前面的分析,我们已经知道,JVM在加载类之前会检查请求的类是否已经被加载过来,也就是要调用findLoadedClass方法查看是否能够返回类实例。如果类已经加载过来,再调用loadClass会导致类冲突。

  但是,JVM判断一个类是否是同一个类有两个条件:一是看这个类的完整类名是否一样(包括包名),二是看加载这个类的ClassLoader加载器是否是同一个(既是是同一个ClassLoader类的两个实例,加载同一个类也会不一样)。

  所以,要实现类的热部署可以创建不同的ClassLoader的实例对象,然后通过这个不同的实例对象来加载同名的类。

七、参考资料

  1、http://www.2cto.com/kf/201403/284030.html

posted @ 2016-06-02 16:52  温布利往事  阅读(15857)  评论(1编辑  收藏